一种可以实现电容均压的单相三电平半桥逆变器的制作方法

本发明涉及一种三电平逆变器，尤其涉及一种可以均衡直流侧电容电压的单相三电平半桥逆变器。

背景技术：

在能源需求日益增加的当今，开发新能源与提高能源利用率越发凸显重要，在各种新能源的开发中光伏太阳能是一种洁净环保的能源，因此对光伏太阳能的开发具有非常重要的意义。然而单相三电平半桥逆变器是光伏太阳能变换的核心，起到把太阳能直流电变换成我们负载需要的交流电，并实现功率最大跟踪。

多电平逆变器早已成为中高压大功率场合研究的热点。三电平半桥逆变器是多电平逆变器中的一种，三电平半桥逆变器输出特点是其桥臂有+vin/2，-vin/2、0三种输出电平，所以在相同的输出电压谐波标准的条件下，其等效的开关频率可以降低，从而减少了开关损耗，提高了效率和电磁兼容性。另一方面由于有直流分压电容中点的存在，使得开关器件所承受的电压应力只为两电平时的一半，从而使得低耐压开关器件在高压场合的应用成为可能，大大减少了逆变器设计的经济成本并提高了系统的可靠性。

然而，单相三电平半桥逆变器在带载或并网的情况下，会使直流侧母线中两电容上电压出现较大振荡，导致输出波形畸变。缩短电容的使用寿命，且不稳定的电压会影响mppt的精度。因此针对单相三电平半桥逆变器直流侧电容上电压不均衡问题的解决对系统可靠性的增加，谐波的减少，电容及相关器件的寿命延长都具有较大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是解决半桥三电平直流侧电容上电压不均衡问题。

为解决上述问题，本发明采用反激式母线电压平衡电路来实现半桥三电平直流侧电容电压均衡。

一种可以实现电容均压的单相三电平半桥逆变器，包括反激变压器t、开关管s1～s10、二极管d1～d10和d01以及d11～d15、电容c1～c3、电感l1和l2；其特征在于：

电感l1右端、开关管s1的上端、二极管d1的阴极和二极管d01的阳极相互连接，

开关管s1的下端、二极管d1的阳极、开关管s2的上端、二极管d2的阴极和反激变压器t的原边上端相互连接，

反激变压器t的原边下端、开关管s2的下端、二极管d2的阳极、二极管d11的阳极、电容c2的下端、开关管s6的下端和二极管d6的阳极相互连接，

反激变压器t的负边上端连接二极管d13的阳极，

二极管d13的阴极、开关管s7的左端、开关管s8的左端、二极管d7的阴极和二极管d8的阴极相互连接，

开关管s7的右端、二极管d7的阳极和二极管d12的阳极相互连接，

开关管s8的右端、二极管d8的阳极、电容c1的下端、电容器c2的上端、开关管s9的右端、二极管d9的阴极、二极管d14的阳极和二极管d15的阴极相互连接且接地，

反激变压器t的负边下端、开关管s9的左端、开关管s10的左端、二极管d9的阳极和二极管d10的阳极相互连接，

开关管s10的右端、二极管d10的阴极和二极管d11的阴极相互连接，

电容c1的上端、二极管d12的阴极、二极管d01的阴极、开关管s3的上端和二极管d3的阴极相互连接，

开关管s3的下端、二极管d3的阳极、二极管d14的阴极、开关管s4的上端和二极管d4的阴极相互连接，

开关管s4的下端、二极管d4的阳极、电感l2的左端、开关管s5的上端、二极管d5的阴极相互连接，

开关管s5的下端、二极管d5的阳极、二极管d15的阳极、开关管s6的上端和二极管d6的阴极相互连接，

电感l2的右端连接电容c3的上端，

电容c3的下端接地。

如上所述连接，开关管s3～s6、二极管d3～d6、二极管d14和d15、电感l2、电容c3共同组成半桥逆变电路；开关管s1和s2以及s7～s10、二极管d1和d2以及d7～d10、二极管d01和d11～d13、电感l1、反激变压器t共同组成升压电路，升压电路中，开关管s2和s7～s10、二极管d2和d7～d10、二极管d01和d11～d13、反激变压器t组成反激式母线电压平衡电路。

使用时，电感l1左端、反激变压器t的原边下端分别连接光伏板的正负极，电感l2右端、电容c3下端分别连接负载的正负极。

本发明采用的单相三电平半桥逆变器包括反激式母线电压平衡电路和半桥逆变电路，其输入侧与光伏太阳能电池阵列连接，输出侧接负载。反激式母线电压平衡电路中的四个开关管s7～s10由工频电网电压过零触发切换，交替地将直流侧电容电压均衡在vin/2，延长了电容及开关管的寿命，提高了系统的可靠性。

本发明的有益效果：(1)反激式母线电压平衡电路中的四个开关管工作于低频环境中，因此其电磁干扰小，开关损耗小；(2)通过开关的交替工作，均衡了直流侧电容电压，大幅度地提高直流电压利用率和电容及开关管的使用寿命；(3)稳定的母线电容上电压有助于最大功率点跟踪(mppt)的实现，使太阳能的发电效率最大；(4)电路结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的单相三电平半桥逆变器的电路拓扑示意图。

图2是表示在电容c1电压拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图。

图3是表示在电容c1和电容c2电压没被拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图。

图4是表示在电容c2电压拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图。

在图中，1为光伏板，2为升压电路，3为半桥逆变电路，4为负载；其中，s1～s10为开关管，d01、d11～d15为二极管，l1、l2为电感，c1～c3为电容，d1～d10为二极管，rload为负载，t为反激变压器。

具体实施方式

按图1所示连接电路，该方案中的逆变器包括反激式母线电压平衡电路和半桥逆变电路，反激式母线电压平衡电路中，开关管s2两端与反激变压器t原边两端连接，开关管s8的一端与第一电容c1和第二电容c2组成的桥臂中点连接，开关管s9的一端与第一电容c1和第二电容c2组成的桥臂中点连接；反激变压器t负边上端与二极管d13阳极连接，二极管d13阴极与开关管s7和开关管s8连接，开关管s7与二极管d12阳极连接，二极管d12阴极与电容c1上端连接，反激变压器t负边下端与开关管s9和开关管s10连接。

工作原理分析：

(1)如图2是表示在电容c1电压拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图，即此时vc1＜e/2-δ，同时反激式母线电压平衡电路中的开关管s1按照升压原理正常工作，同时还兼作反激的原边主开关管；开关管s2断开，开关管s7和开关管s9导通，开关管s8和开关管s10断开，给电容c1充电。

(2)如图3是表示在电容c1和电容c2电压没被拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图，即vc1＞e/2-δ，此时反激式母线电压平衡电路中的开关管s2导通，开关管s1仅按照升压原理正常工作；开关管s7、s8、s9、s10均截止。

(3)如图4是表示在电容c2电压拉低时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图，即此时vc2＜e/2-δ，同时反激式母线电压平衡电路中的开关管s2断开，开关管s1按照升压原理正常工作，同时还兼作反激的原边主开关管；开关管s8和开关管s10导通，开关管s7和开关管s9断开，给电容c2充电。

(4)如图3是表示在电容c2两端电压大于e/2-δ时在反激式母线电压平衡电路补偿回路示意图，即vc2＞e/2-δ，此时反激式母线电压平衡电路中的开关管s2导通，开关管s7，s8，s9,s10均截止，开关管s1仅按照升压原理正常工作。

(5)如图1中的二极管d11和二极管d12起到防止短路的作用，首先二极管d11在开关管s7与开关管s9导通时给电容c1充电提升其电压时，要避免电容c2的上端，开关管s9，二极管d10，电容c2下端构成的闭合回路而短路，所以要设计二极管d11避免构成回路短路；其次二极管d12的功能也是起到防止短路的作用，首先二极管d12在开关管s8与开关管s10导通时给电容c2充电提升其电压时，要避免电容c1的下端，开关管s8，二极管d7，电容c1上端构成的闭合回路而短路，所以要设计二极管d11避免构成回路短路。